Quadrivitesse

En physique, en particulier en relativité restreinte et en relativité générale, la quadrivitesse^{[N 1]} d'un objet est un quadrivecteur généralisant le vecteur vitesse en mécanique classique.

Introduction

La quadrivitesse est une des notions que le mathématicien et physicien allemand Hermann Minkowski (1864-1909) a introduites^{[3],[N 2]} dans le cadre de sa reformulation géométrique de la relativité restreinte d'Albert Einstein (1879-1955)^[4].

La quadrivitesse est ainsi désignée car elle est le quadrivecteur qui généralise la notion de vitesse de la mécanique newtonienne^[1],[5].

Plus précisément, la quatrivitesse est un quadrivecteur :

• du genre temps^{[2],[6],[7],[8]} car il est tangent à une courbe qui est elle-même du genre temps^[1],[9] ;
• dirigé vers le futur^[6],[7],[8] ;
• dont la pseudo-norme est égale à c, la vitesse de la lumière dans le vide^[1].

En relativité restreinte, la quadrivitesse est définie comme la dérivée première^[10] de la quadriposition par rapport au temps propre^{[1],[11],[12]}. Une telle définition n'est pas valide en relativité générale car, dans ce cadre, le quadruplet de coordonnées permettant de repérer un événement ne forme pas un quadrivecteur^[13].

La notion de quadrivitesse n'existe pas pour une particule de masse nulle car le temps propre d'une telle particule n'est pas défini^[14].

Mécanique classique

En mécanique classique, les événements sont décrits par leur position à chaque instant. La trajectoire d'un objet dans l'espace tri-dimensionnel est paramétrée par le temps. La vitesse classique est le taux de variation des coordonnées d'espace par rapport au temps et est tangente à sa trajectoire.

La trajectoire d'un objet dans un espace tridimensionnel est déterminée par une fonction vectorielle à trois composantes,${\displaystyle x^{i}(t),\;i\in \{1,2,3\}}$, où chacune des composantes est fonction d'un temps absolu t:

${\displaystyle {\vec {x}}=x^{i}(t)={\begin{bmatrix}x^{1}(t)\\x^{2}(t)\\x^{3}(t)\\\end{bmatrix}}}$

Où ${\displaystyle x^{i}(t)}$ dénote les trois coordonnées spatiales de l'objet au temps t.

Les composantes de la vitesse classique ${\displaystyle {\vec {u}}}$ au point p sont:

${\displaystyle {\vec {u}}=(u^{1},u^{2},u^{3})={\mathrm {d} {\vec {x}} \over \mathrm {d} t}={\mathrm {d} x^{i} \over \mathrm {d} t}=\left({\frac {\mathrm {d} x^{1}}{\mathrm {d} t}}\;,{\frac {\mathrm {d} x^{2}}{\mathrm {d} t}}\;,{\frac {\mathrm {d} x^{3}}{\mathrm {d} t}}\right)}$

où les dérivées sont prises au point p. En d'autres termes, elle est la différence entre deux positions ${\displaystyle \mathrm {d} x^{i}}$ divisée par l'intervalle de temps les séparant ${\displaystyle \mathrm {d} t}$.

Théorie de la relativité

En théorie de la relativité, la trajectoire d'un objet dans l'espace-temps par rapport à un référentiel donné est définie par une fonction vectorielle à quatre composantes ${\displaystyle x^{\mu }(\tau ),\;\mu \in \{0,1,2,3\}}$, chacune d'entre elles dépendant d'un paramètre ${\displaystyle \tau }$, appelé temps propre de l'objet.

${\displaystyle \mathbf {x} =x^{\mu }(\tau )={\begin{bmatrix}x^{0}(\tau )\\x^{1}(\tau )\\x^{2}(\tau )\\x^{3}(\tau )\\\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}ct\\x^{1}(t)\\x^{2}(t)\\x^{3}(t)\\\end{bmatrix}}}$

Quadrivitesse en relativité restreinte

Définition de la quadrivitesse

La quadrivitesse d'un objet est définie comme la tangente de sa ligne d'univers. Ainsi, un objet décrit par la ligne d'univers ${\displaystyle \mathbf {x} (\tau )}$ aura une quadrivitesse définie comme :

${\displaystyle \mathbf {U} ={\frac {\mathrm {d} \mathbf {x} }{\mathrm {d} \tau }}=\left({\frac {\mathrm {d} x^{0}}{\mathrm {d} \tau }},{\frac {\mathrm {d} x^{1}}{\mathrm {d} \tau }},{\frac {\mathrm {d} x^{2}}{\mathrm {d} \tau }},{\frac {\mathrm {d} x^{3}}{\mathrm {d} \tau }}\right)}$

Composantes de la quadri-vitesse en relativité restreinte

De la dilatation du temps en relativité restreinte, on sait que ${\displaystyle t=\gamma \tau \,}$ où ${\displaystyle \gamma }$ est le facteur de Lorentz, défini comme ${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {u^{2}}{c^{2}}}}}}}$ et u est la norme de la vitesse vectorielle classique ${\displaystyle {\vec {u}}}$ supposée constante dans le temps : ${\displaystyle u=||\ {\vec {u}}\ ||={\sqrt {(u^{1})^{2}+(u^{2})^{2}+(u^{3})^{2}}}}$.

La relation entre la coordonnée temporelle ${\displaystyle x^{0}}$ et le temps t est donnée par

${\displaystyle x^{0}=ct=c\gamma \tau \,}$

En dérivant par rapport au temps propre ${\displaystyle \tau \,}$, on trouve^[15]

${\displaystyle U^{0}={\frac {\mathrm {d} x^{0}}{\mathrm {d} \tau \;}}=c\gamma }$

En utilisant règle de dérivation en chaîne, pour ${\displaystyle \mu =i=}$1, 2, 3, on trouve

${\displaystyle U^{i}={\frac {\mathrm {d} x^{i}}{\mathrm {d} \tau }}={\frac {\mathrm {d} x^{i}}{\mathrm {d} x^{0}}}{\frac {\mathrm {d} x^{0}}{\mathrm {d} \tau }}={\frac {\mathrm {d} x^{i}}{\mathrm {d} x^{0}}}c\gamma ={\frac {\mathrm {d} x^{i}}{\mathrm {d} (ct)}}c\gamma ={1 \over c}{\frac {\mathrm {d} x^{i}}{\mathrm {d} t}}c\gamma =\gamma {\frac {\mathrm {d} x^{i}}{\mathrm {d} t}}=\gamma u^{i}}$

où nous avons utilisé la définition de la vitesse classique

${\displaystyle u^{i}={dx^{i} \over dt}}$

Ainsi, nous trouvons^[16], pour la quadrivitesse ${\displaystyle {U}}$:

${\displaystyle {U}=\gamma \left(c,{\vec {u}}\right)}$

Vitesse propre

Les trois composantes spatiales de la quadrivitesse définissent la vitesse propre d'un objet, ${\displaystyle {\vec {\eta }}=d{\vec {x}}/d\tau }$, soit le taux de variation des coordonnées d'espace par rapport au temps propre.

En relativité restreinte, on a ${\displaystyle {\vec {\eta }}=\gamma {\vec {u}}=d{\vec {x}}/d\tau }$.

Norme

La quadrivitesse étant un quadrivecteur, sa norme est un quadriscalaire, et donc invariante peu importe le choix de référentiel. Dans tous les référentiels, autant en relativité restreinte qu'en relativité générale, la pseudo-norme de la quadrivitesse est

${\displaystyle |{U}|={\sqrt {{U}*{U}}}={\sqrt {{\gamma }^{2}c^{2}-{\gamma }^{2}{u}^{2}}}={\sqrt {{\gamma }^{2}(c^{2}-u^{2})}}={\sqrt {\frac {c^{2}-u^{2}}{1-u^{2}/c^{2}}}}={\sqrt {\frac {c^{2}(c^{2}-u^{2})}{c^{2}-u^{2}}}}=c\,}$

Ainsi, la pseudo-norme de la quadrivitesse est toujours égale à la vitesse de la lumière. On peut donc considérer n'importe quel objet massif comme se déplaçant dans l'espace-temps à la vitesse de la lumière.

Cas d'un corps de masse nulle

Une particule de masse nulle est dotée d'une vitesse (classique) égale à la vitesse de la lumière : ${\displaystyle \ v=c\;.}$ Dans ce cas la pseudo-norme de ${\displaystyle \left({\frac {dx^{0}}{dt}};{\frac {dx^{1}}{dt}};{\frac {dx^{2}}{dt}};{\frac {dx^{3}}{dt}}\right)=(c;{\dot {x}};{\dot {y}};{\dot {z}})}$ est égale à ${\displaystyle c{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}=0\;}$, constante indépendante du référentiel, c'est donc un quadrivecteur : les égalités établies pour un corps massif n'ont pas besoin de l'être pour un corps de masse nulle, et d'ailleurs ne le peuvent pas, le temps propre de ce corps étant nul (${\displaystyle \scriptstyle \ d\tau ={\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}.dt=0\;}$).

De manière générale, l'égalité ${\displaystyle \ c^{2}dt^{2}-dx^{2}-dy^{2}-dz^{2}=0}$ montre que tout paramètre ${\displaystyle \ \lambda }$ peut être choisi pour paramétrer la trajectoire du corps car la « vitesse » ${\displaystyle \scriptstyle V={\frac {dM}{d\lambda }}}$ ainsi obtenue a une pseudo-norme constante (nulle), et est donc un quadrivecteur : ${\displaystyle \scriptstyle V^{i}.V_{i}=\left({\frac {cdt}{d\lambda }}\right)^{2}-\left({\frac {dx}{d\lambda }}\right)^{2}-\left({\frac {dy}{d\lambda }}\right)^{2}-\left({\frac {dz}{d\lambda }}\right)^{2}=0}$.

Quadrivitesse en relativité générale

Notes et références

Notes

1. La quadrivitesse^[1],[2] est aussi connue comme le quadrivecteur vitesse^[2] et la 4-vitesse^[2].
2. Les notions de ligne d'univers, de quadrivitesse et de quadriaccélération sont dues à Minskowski chez qui elles apparaissent pour la première fois dans une publication de 1908^[3]. Il a été noté que si, dès 1905, un vecteur quadridimensionnel — qui n'est autre que la quadivitesse — apparaît chez Henri Poincaré (1854-1912), celui-ci ne fait pas explicitement référence à la notion de ligne d'univers^[3].

Références

1. Taillet, Febvre et Villain 2013, s.v.quadrivitesse, p. 564, col. 1.
2. Rougé 2008, § 4.3.2, p. 55.
3. Gourgoulhon 2010, p. 39, n. historique.
4. Taillet, Febvre et Villain 2013, s.v.Minkowski (formalisme de), p. 439.
5. Clément 2017, chap. 2, § 1.3, p. 22.
6. Hobson, Efstathiou et Lasenby 2009, § 5.6, p. 114.
7. Penrose 2007, § 18.7, p. 422.
8. Semay et Silvestre-Brac 2016, § 8.5, p. 150.
9. Taillet, Febvre et Villain 2013, s.v.genre, p. 312, col. 1.
10. Hakim 2001, p. 89-90.
11. Fabre, Antoine et Treps 2015, § 7.3.5, p. 85.
12. Semay et Silvestre-Brac 2016, § 8.5, p. 154.
13. Taillet, Febvre et Villain 2013, s.v.quadrivecteur position, p. 564, col. 1.
14. Taillet, Febvre et Villain 2013, s.v.quadrivitesse, p. 564, col. 2.
15. Ce résultat s'obtient aussi en considérant l'intervalle d'espace-temps ${\displaystyle c^{2}.d\tau ^{2}=c^{2}.dt^{2}-dx^{2}-dy^{2}-dz^{2}}$
16. James H. Smith, Introduction à la relativité, Paris, InterÉditions, 1997, 317 p. (ISBN 2-225-82985-3)

Voir aussi

Bibliographie

Manuels d'enseignement supérieur

• [Clément 2017] Benoît Clément, Physique des particules : introduction aux concepts et au formalisme du modèle standard, Malakoff, Dunod, coll. « Science sup », août 2017, 2^e éd. (1^re éd. avr. 2013), 1 vol., VII-182, ill. et fig., 17 × 24 cm (ISBN 978-2-10-076171-5, EAN 9782100761715, OCLC 1004270212, BNF 45343687, SUDOC 204093430, présentation en ligne, lire en ligne).
• [Fabre, Antoine et Treps 2015] Claude Fabre, Charles Antoine et Nicolas Treps (préf. de Serge Haroche), Introduction à la physique moderne : relativité et physique quantique, Paris, Dunod, coll. « Science sup », mars 2015, 1^re éd., 1 vol., XVI-287, ill. et fig., 17 × 24 cm (ISBN 978-2-10-072021-7, EAN 9782100720217, OCLC 906024716, BNF 44272932, SUDOC 184688450, présentation en ligne, lire en ligne).
• [Gourgoulhon 2010] Éric Gourgoulhon (préf. de Thibault Damour), Relativité restreinte : des particules à l'astrophysique, Les Ulis et Paris, EDP Sciences et CNRS, coll. « Savoirs actuels / Physique », mai 2010, 1^re éd., 1 vol., XXVI-776, ill. et fig., 15,5 × 23 cm (ISBN 978-2-7598-0067-4, EAN 9782759800674, OCLC 690639994, BNF 41411713, SUDOC 14466514X, présentation en ligne, lire en ligne).
• [Hakim 2001] Rémi Hakim, Gravitation relativiste, Les Ulis et Paris, EDP Sciences et CNRS, coll. « Savoirs actuels / Astrophysique », juill. 2001, 2^e éd. (1^re éd. janv. 1994), 1 vol., XV-310, ill., 16 × 24 cm (ISBN 2-86883-370-5 et 2-271-05198-3, EAN 9782868833709, OCLC 50236119, BNF 39918721, SUDOC 060559675, présentation en ligne, lire en ligne).
• [Hobson, Efstathiou et Lasenby 2009] Michael P. Hobson, George Efstathiou et Anthony N. Lasenby (trad. de l'anglais par Loïc Villain, rév. scient. par Richard Taillet), Relativité générale [« General relativity : an introduction for physicists »], Bruxelles et Paris, De Boeck Supérieur, coll. « Physique », déc. 2009, 1^re éd., 1 vol., XX-554, ill. et fig., 21,6 × 27,5 cm (ISBN 978-2-8041-0126-8, EAN 9782804101268, OCLC 690272413, BNF 42142174, SUDOC 140535705, présentation en ligne, lire en ligne).
• [Penrose 2007] Roger Penrose (trad. de l'anglais par Céline Laroche), À la découverte des lois de l'Univers : la prodigieuse histoire des mathématiques et de la physique [« The road to reality : a complete guide to the laws of the Universe »], Paris, O. Jacob, coll. « Sciences », août 2007, 1^re éd., 1 vol., XXII-1061, ill. et fig., 15,5 × 24 cm (ISBN 978-2-7381-1840-0, EAN 9782738118400, OCLC 209307388, BNF 41131526, SUDOC 118177311, présentation en ligne, lire en ligne).
• [Rougé 2008] André Rougé, Introduction à la relativité, Palaiseau, École polytechnique, coll. « Physique », juill. 2002 (réimpr. augm. mars 2008), 2^e éd. (1^re éd. sept. 2000), 1 vol., 203, ill. et fig., 17 × 24 cm (ISBN 978-2-7302-0940-3, EAN 9782730209403, OCLC 423892061, BNF 38954812, SUDOC 070449449, présentation en ligne, lire en ligne).
• [Semay et Silvestre-Brac 2016] Claude Semay et Bernard Silvestre-Brac, Relativité restreinte : bases et applications, Paris, Dunod, coll. « Sciences sup », mars 2016, 3^e éd. (1^re éd. oct. 2005), 1 vol., X-309, ill. et fig., 17 × 24 cm (ISBN 978-2-10-074703-0, EAN 9782100747030, OCLC 945975983, BNF 45019762, SUDOC 192365681, présentation en ligne, lire en ligne).

Dictionnaires et encyclopéries

• [Taillet, Febvre et Villain 2013] Richard Taillet, Pascal Febvre et Loïc Villain, Dictionnaire de physique, Bruxelles et Paris, De Boeck Supérieur, hors coll., fév. 2013, 3^e éd. (1^re éd. mai 2008), 1 vol., X-899, ill. et fig., 17 × 24 cm (ISBN 978-2-8041-7554-2, EAN 9782804175542, OCLC 842156166, BNF 43541671, SUDOC 167932349, présentation en ligne, lire en ligne), s.v.quadrivitesse, p. 564, col. 1-2.

Articles connexes

• Quadrivecteur
• Relativité restreinte

Liens externes

• Portail de la physique